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L’importance des performances de dissipation thermique pour transformateurs remplis d'huile se manifeste principalement par son impact direct sur la durée de vie opérationnelle et la sécurité du transformateur électrique. La durée de vie du transformateur dépend dans une large mesure du degré de vieillissement du système d’isolation huile-papier, et le vieillissement thermique constitue le facteur le plus important provoquant la dégradation de l’isolation. À chaque période pendant laquelle le matériau isolant fonctionne au-delà de sa température nominale, la vitesse de vieillissement augmente de façon exponentielle. Par conséquent, une dissipation thermique efficace permet de maîtriser efficacement la température des points chauds des enroulements — ce paramètre constitue un indicateur clé pour évaluer l’état de fonctionnement et la durée de vie résiduelle du transformateur.
Si la dissipation thermique est médiocre et que la température interne est trop élevée, cela accélérera non seulement la dégradation de l’huile isolante et des matériaux isolants solides, réduisant ainsi les performances d’isolation, mais pourra également provoquer des pannes d’équipement et même affecter le fonctionnement stable de l’ensemble du réseau électrique. On peut affirmer que la dissipation thermique efficace constitue la condition fondamentale permettant au transformateur de fonctionner en toute sécurité et stabilité sous sa charge nominale et d’atteindre sa durée de vie prévue (généralement de 30 ans ou plus).
Facteurs clés influençant la dissipation thermique de transformateurs immergés dans l'huile
L’efficacité de la dissipation thermique des transformateurs de distribution immergés dans l’huile résulte essentiellement de la synergie entre la circulation de l’huile et la convection de l’air. Les facteurs principaux influençant ce processus peuvent être analysés selon deux grands aspects : l’état interne de la circulation de l’huile et les conditions externes de refroidissement.
- La circulation interne de l’huile et la conception structurelle constituent la base de la dissipation thermique.
Pendant le fonctionnement du transformateur, la chaleur générée par les enroulements et le noyau est transférée au dissipateur thermique par convection naturelle ou forcée de l’huile isolante. Des études ont montré que la vitesse d’écoulement de l’huile a un impact significatif sur l’élévation de température : lorsque la vitesse d’écoulement de l’huile augmente de 0,05 m/s à 0,20 m/s, la température maximale du noyau peut être réduite de 11,62 K. La structure interne des canaux d’huile est également cruciale. L’élargissement des canaux d’huile horizontaux ou le positionnement rationnel de plaques de blocage d’huile permettent d’améliorer efficacement la circulation dans les zones stagnantes de l’écoulement d’huile, réduisant ainsi la température moyenne des enroulements.
- La méthode de refroidissement externe et les conditions environnementales déterminent l’efficacité de la dissipation thermique.
Les méthodes de refroidissement sont classées par ordre d’efficacité : refroidissement naturel à l’huile (ONAN), refroidissement forcé à l’huile avec ventilation (ONAF) et refroidissement forcé à l’huile avec circulation forcée et ventilation (OFAF). Le refroidissement par air peut améliorer l’effet d’évacuation de la chaleur de 150 % à 200 % par rapport au refroidissement naturel. En outre, plus la température ambiante est élevée, plus l’écart de température pour l’évacuation de la chaleur diminue, et plus l’efficacité s’en trouve réduite. Des conceptions innovantes continuent également de repousser les limites traditionnelles, comme l’ajout de structures saillantes sur la paroi du réservoir d’huile afin de perturber la couche limite thermique, ce qui permet de réduire la température des points chauds de 10,6 K.
En conclusion, l’optimisation de l’évacuation de la chaleur d’un transformateur exige une approche coordonnée intégrant la structure interne des canaux d’huile, le choix de la méthode de refroidissement et de nouvelles technologies améliorées d’échange thermique, afin de maîtriser efficacement l’élévation de température aux points chauds et de retarder le vieillissement de l’isolation.
Comment déterminer les performances de refroidissement d’un transformateur ?
Pour évaluer si les performances de refroidissement répondent aux normes, plusieurs méthodes sont disponibles, allant de la vérification standard à la surveillance en ligne :
- Essai standard d’élévation de température (avant livraison d’usine et mise en service) :
Il s’agit du critère fondamental d’évaluation. Conformément aux normes nationales, on simule la charge nominale afin de mesurer l’élévation de température de chaque partie du transformateur (différence entre la température mesurée et la température ambiante) et de s’assurer qu’elle ne dépasse pas la limite spécifiée. Cet essai porte principalement sur la surveillance de l’élévation de température de l’huile en tête et de la température du point chaud des enroulements, éléments essentiels pour déterminer si la conception du système de refroidissement est conforme.
- Surveillance de l’état de fonctionnement (fonctionnement quotidien) :
Pour les transformateurs en service, les méthodes suivantes peuvent être utilisées afin d’évaluer leurs performances :
• Surveillance de la température : La surveillance de la température de l’huile en tête constitue la méthode la plus directe. Une température élevée persistante de l’huile indique généralement une baisse de l’efficacité du système de refroidissement.
• Évaluation de l’efficacité du dissipateur thermique : En appliquant le principe de bilan énergétique et à l’aide d’algorithmes ingénierie, l’efficacité réelle actuelle du dissipateur thermique peut être déduite des données de fonctionnement, telles que les pertes sous charge et l’élévation de température de l’huile, permettant ainsi de déterminer si la capacité de refroidissement s’est dégradée.
• Détection par imagerie thermique infrarouge : L’utilisation d’une caméra thermique infrarouge pour balayer le boîtier du transformateur et les dissipateurs thermiques permet d’identifier directement les zones de surchauffe locale ou de refroidissement inhomogène.
- Essais spécialisés pour des indicateurs spécifiques :
Lorsqu’un problème de refroidissement est suspecté, des essais plus détaillés peuvent être réalisés, par exemple la mesure de la résistance thermique des enroulements afin de calculer l’élévation moyenne de température des enroulements, ou l’installation de capteurs à fibre optique pour mesurer directement la température du point chaud le plus critique.
Grâce à ces méthodes d'évaluation systématiques, l'état de refroidissement du transformateur peut être appréhendé de façon exhaustive, permettant ainsi la détection précoce de tout problème et la mise en œuvre de mesures de maintenance.
Jiangsu Unita Electrical Equipment Co.,Ltd. （JSZONMA）Avant la mise en production de chaque transformateur, un système complet d'inspection qualité est mis en œuvre. Parmi les essais effectués, l'essai d'élévation de température et l'essai des performances d'isolation constituent les éléments obligatoires centraux de l'inspection en usine, visant à vérifier rigoureusement la stabilité thermique et la sécurité électrique du produit, afin de garantir que chaque transformateur immergé dans l'huile puisse fonctionner en toute sécurité, de façon fiable et stable, sur le réseau électrique pendant une longue période.